C++11 constexpr使用

C++11為了提高代碼執行效率做了一些改善。這種改善之一就是:生成常量表達式，允許程序利用編譯時的計算能力。假如你熟悉模板元編程，你將發現constexpr使這一切變得更加簡單。constexpr使我們很容易利用上編譯時編程的優勢。
常量表達式主要是允許一些計算發生在編譯時，即發生在代碼編譯而不是運行的時候。這是很大的優化：假如有些事情可以在編譯時做，它將只做一次，而不是每次程序運行時。需要計算一個編譯時已知的常量，比如特定值的sine或cosin？確實你亦可以使用庫函數sin或cos，但那樣你必須花費運行時的開銷。使用constexpr，你可以創建一個編譯時的函數，它將為你計算出你需要的數值，用戶的電腦將不需要做這些工作。

1.constexpr初探
為了使函數獲取編譯時計算的能力，你必須指定constexpr關鍵字到這個函數。

constexpr int multiply (int x, int y)
{
    return x * y;
}

// 將在編譯時計算
const int val = multiply( 10, 10 );

除了編譯時計算的性能優化，constexpr的另外一個優勢是，它允許函數被應用在以前調用宏的所有場合。
例如，你想要一個計算數組size的函數，size是10的倍數。如果不用constexpr，你需要創建一個宏或者使用模板，因為你不能用函數的返回值去聲明數組的大小。但是用constexpr，你就可以調用一個constexpr函數去聲明一個數組。

constexpr int getDefaultArraySize (int multiplier)
{
    return 10 * multiplier;
}

int my_array[ getDefaultArraySize( 3 ) ];
int a = 4;　　//非常量表達式
getDefaultArraySize(a);　　//ok

constexpr修飾的函數，簡單的來說，如果其傳入的參數可以在編譯時期計算出來，那么這個函數就會產生編譯時期的值。但是，傳入的參數如果不能在編譯時期計算出來，那么constexpr修飾的函數就和普通函數一樣了。不過，我們不必因此而寫兩個版本，所以如果函數體適用於constexpr函數的條件，可以盡量加上constexpr。

2.constexpr修飾函數的限制
一個constexpr有一些必須遵循的嚴格要求：

函數中只能有一個return語句(但允許包含typedefs、 using declaration && directives、靜態斷言等)
只能調用其它constexpr函數
只能使用全局constexpr變量

注意遞歸並不受限制,但只允許一個返回語句，那如何實現遞歸呢？可以使用三元運算符（?:)。例如，計算n的階乘：

constexpr int factorial (int n) {
    return n > 0 ? n * factorial( n - 1 ) : 1;
}

現在你可以使用factorial(2)，編譯器將在編譯時計算這個值，這種方式運行更巧妙的計算，與內聯截然不同。你無法內聯一個遞歸函數。

3.使用編譯時對象
constexpr修飾類的構造函數，即保證如果提供給該構造函數的參數都是constexpr，那么產生的對象中的所有成員都會是constexpr，該對象也就是constexpr對象了，可用於各種只能使用constexpr的場合。注意，constexpr構造函數必須有一個空的函數體，即所有成員變量的初始化都放到初始化列表中。
假如你有一個Circle類:

class Circle
{
    public:
    constexpr Circle (int x, int y, int radius) : _x( x ), _y( y ), _radius( radius ) {}
    constexpr double getArea () {
        return _radius * _radius * 3.1415926;
    }
private:
    int _x;
    int _y;
    int _radius;
};

將構造函數和getArea聲明為constexpr，這樣在編譯期間，便能構造一個對象並能調用getArea函數獲得area：

constexpr Circle c( 0, 0, 10 );
constexpr double area = c.getArea();

4.constexpr vs const的區別

假如你將一個成員函數標記為constexpr，則順帶也將它標記為了const。如果你將一個變量標記為constexpr，則同樣它是const的。但相反並不成立，一個const的變量或函數，並不是constexpr的。
語義上:
constexpr:告訴編譯器我可以是編譯期間可知的，盡情的優化我吧。
const:告訴程序員沒人動得了我，放心的把我傳出去；或者放心的把變量交給我，我啥也不動就瞅瞅。
語法上:
constexpr是一種比const 更嚴格的束縛, 它修飾的表達式本身在編譯期間可知, 並且編譯器會盡可能的 evaluate at compile time. 在constexpr 出現之前, 可以在編譯期初始化的const都是implicit constexpr. 直到c++ 11, constexpr才從const中細分出來成為一個關鍵字, 而 const從1983年 c++ 剛改名的時候就存在了... 如果你初學c++, 應當盡可能的, 合理的使用constexpr來幫助編譯器優化代碼。

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